機(jī)械花鍵軸斷裂原因分析

金林奎，焦東風(fēng)

1.狀態(tài)說(shuō)明

（1）該失效件曾送交某研究院檢測(cè)，最終檢測(cè)結(jié)果為調(diào)質(zhì)處理淬火裂紋。對(duì)熱處理工藝進(jìn)行排查，從工件來(lái)料裝筐、設(shè)備使用前檢查、熱處理工藝的制訂及實(shí)施、熱處理后試樣的檢測(cè)，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。

（2）我們對(duì)送檢的樣件重新檢測(cè)，客戶(hù)提供的裂紋樣塊為20mm×20mm×40mm，未見(jiàn)到失效件本體、斷裂部位和斷裂形式，工件實(shí)際服役狀況也沒(méi)詳細(xì)了解。據(jù)客戶(hù)介紹，工件的材質(zhì)為42CrMo低合金調(diào)質(zhì)鋼，零件的工藝路線(xiàn)為：下料→鍛造→粗加工→調(diào)質(zhì)。

（3）將樣件分成兩塊，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕，目測(cè)就可以看到，斷口為凹凸不平的斷面，斷口邊緣有一層非常明顯的較深的白亮層，推測(cè)可能是脫碳層（見(jiàn)圖1、圖2）。

2.化學(xué)成分

在樣塊上線(xiàn)切割截取15mm×15mm×10mm（長(zhǎng)×寬×厚）的試樣，進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為L(zhǎng)abspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結(jié)果表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求?；瘜W(xué)成分的檢查結(jié)果見(jiàn)附表。

3.金相組織

（1）用1E-200M型金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，試樣斷口表面的白亮層，為細(xì)小等軸狀鐵素體。這種組織是較低奧氏體溫度下，由原始鍛造柱狀晶組織重結(jié)晶細(xì)化形成的。該組織為鍛造開(kāi)裂后高溫氧化脫碳，脫碳層組織經(jīng)過(guò)奧氏體化重結(jié)晶的典型形貌特征（見(jiàn)圖3）。

（2）斷口處的二次裂紋兩側(cè)，被以鐵素體組織為主的脫碳層完全包圍，裂紋內(nèi)充滿(mǎn)淺灰色的高溫氧化產(chǎn)物，說(shuō)明二次裂紋仍然是在鍛造加工過(guò)程中形成的（見(jiàn)圖4）。

（3）主裂紋斷口表面堆積大量的高溫形成的氧化物，表明鍛造加工時(shí)加熱溫度高，裂紋邊緣氧化脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，其中全脫碳層較深，半脫碳層較淺（見(jiàn)圖5）。裂紋的次表層鑲嵌有較多量的氧化物夾雜，這是由于鍛造加工時(shí)，裂紋內(nèi)表層高溫氧化形成的氧化皮，在鍛軋焊合過(guò)程中嵌入到次表層而形成（見(jiàn)圖6）。

圖1 斷口白亮層（1#樣）

圖2 斷口白亮層（2#樣）

樣塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）試樣主裂紋斷口處沿晶開(kāi)裂，晶粒剝落坑極粗大，剝落坑的寬度顯示出晶粒的直徑。經(jīng)測(cè)量晶粒的直徑為0.40mm，對(duì)應(yīng)晶粒度的級(jí)別達(dá)0級(jí)，屬于嚴(yán)重的過(guò)熱組織。鍛造加熱時(shí)局部區(qū)域加熱溫度過(guò)高，晶粒急劇長(zhǎng)大，晶界寬化及晶間弱化，晶間結(jié)合力急劇降低。此時(shí)的鍛造應(yīng)力遠(yuǎn)大于晶間結(jié)合力，造成鍛造熱裂紋脆性開(kāi)裂（見(jiàn)圖7）。

（5）斷口表面全脫碳層的鐵素體組織，呈細(xì)小等軸狀分布。該組織屬于鍛造開(kāi)裂氧化脫碳后的重結(jié)晶組織。鍛造開(kāi)裂后裂紋內(nèi)高溫氧化脫碳，斷口表層形成粗大柱狀晶組織，調(diào)質(zhì)處理過(guò)程的再加熱，使柱狀晶組織重新奧氏體化形核，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸狀組織（見(jiàn)圖8）。

（6）試樣的基體組織為細(xì)小馬氏體位向的回火索氏體＋少量顆粒狀鐵素體調(diào)質(zhì)組織，調(diào)質(zhì)組織級(jí)別評(píng)定為2級(jí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求1～4級(jí)，檢驗(yàn)結(jié)果合格。調(diào)質(zhì)組織的平均晶粒直徑為0.02mm，對(duì)應(yīng)的組織晶粒度級(jí)別為8級(jí)，調(diào)質(zhì)工藝正常（見(jiàn)圖9、圖10）。

4.結(jié)論

（1）試樣的失效斷裂形式為鍛造開(kāi)裂。

（2）鍛造開(kāi)裂的原因是由于鍛造加熱時(shí)局部溫度過(guò)高，造成鍛造熱裂紋。

5.分析與建議

針對(duì)該公司某研究院檢測(cè)報(bào)告中的試驗(yàn)、分析和論述，提出一些建議供參考。

圖3 裂紋脫碳層（40×）

圖4 裂紋脫碳層（100×）

圖5 表面氧化皮（100×）

圖6 氧化皮嵌入（100×）

圖7 粗大剝落坑（100×）

圖8 重結(jié)晶組織（400×）

圖9 1#樣基體組織（400×）

（1）試驗(yàn)報(bào)告對(duì)圖1未表明斷口形貌特征。由圖片可以觀察到宏觀斷口的形貌，左邊為放射狀斷口，右邊為石狀斷口。斷裂源的部位應(yīng)該由石狀斷口處開(kāi)始，沿放射狀斷口擴(kuò)展，最終開(kāi)裂。這種斷裂形式屬于典型的脆性斷口形貌特征。

圖10 2#樣基體組織（400×）

（2）試驗(yàn)報(bào)告對(duì)圖2的推測(cè)，裂紋是由于粗加工刀痕引起的。由圖片觀察，切削加工的刀痕不深，而且主裂紋走向與切削加工刀痕呈約30°夾角，二次裂紋走向與切削加工刀痕垂直，裂紋的擴(kuò)展方向不符合調(diào)質(zhì)淬火應(yīng)力集中的特征。當(dāng)然出現(xiàn)淬火開(kāi)裂的裂紋兩側(cè)，是不會(huì)有脫碳層出現(xiàn)的。

（3）試驗(yàn)報(bào)告圖3、圖4是掃描電鏡圖片，對(duì)圖片中的表述是冰糖狀組織。冰糖狀花樣的微觀特征形貌，只有在白點(diǎn)、氫脆、應(yīng)力腐蝕斷口中發(fā)生，而其他組織結(jié)構(gòu)中一般不存在。該掃描電鏡的圖片放大倍率低，而且筆者看到的報(bào)告為紙質(zhì)復(fù)印件，難以準(zhǔn)確鑒別組織類(lèi)別，同時(shí)也無(wú)法確定斷口特征形貌是沿晶＋準(zhǔn)解理，還是沿晶＋韌窩。

（4）報(bào)告對(duì)圖3、圖4的論述為：“該樣件的斷裂機(jī)制為沿晶解理脆性斷裂”。該試樣確實(shí)屬于沿晶脆性斷裂，但不是解理斷裂。因?yàn)榻饫頂嗔咽谴┚偷?，且解理斷裂的組織形態(tài)表現(xiàn)為淬火狀態(tài)脆性斷裂，或是在韌脆性轉(zhuǎn)變溫度以下瞬間沖擊斷裂。

（5）試驗(yàn)報(bào)告圖5中，試樣的基體組織為珠光體＋鐵素體。筆者在實(shí)際試樣中未見(jiàn)到該組織特征。實(shí)際觀察到的金相組織為馬氏體位向的回火索氏體＋少量的顆粒狀鐵素體，屬于典型調(diào)質(zhì)處理后的組織特征。可能由于取樣的部位不同，實(shí)際觀察的組織也就不一樣。

（6）報(bào)告中對(duì)工件滲氮處理進(jìn)行了微區(qū)成分檢查。筆者因在試樣斷裂面上未見(jiàn)到滲氮處理的組織痕跡，故對(duì)試樣的滲氮處理工藝及檢測(cè)，未做任何表述。